螺旋天线设计（毕业设计45页、19530字）

摘要：该毕业设计的内容主要是对螺旋天线具体设计,并进行仿真。通过毕业设计，掌握了HFSS等射频仿真软件工具的使用，并对螺旋天线工作基本原理的相关知识有较为深刻的认识和理解。螺旋天线不仅在宽频带上具有近乎一致的电阻性输入阻抗，而且在同样的频带上按超增益端射阵的波瓣图工作。进一步说，它的性能对导线尺寸和螺旋节距不敏感，它的互阻抗几乎可以忽略，因此很容易用来组成阵列天线，从而获得较高的增益。
其中，法向模螺旋天线的辐射效率和增益都较低，主要用于超短波手持式通信机，而轴向辐射状态在螺旋天线的轴向有最强的辐射,辐射场是圆极化场，在宽频带的定向天线中得到了广泛的应用。因此，本文重点对轴向模和法向模进行了仿真设计与分析，利用强大的仿真软件设计和调整一定的参数来改善天线的增益和拓宽天线的工作频带，在频率为1.5GHz下，轴向模在轴向上增益达到了12dB。螺旋天线的仿真设计结果与天线基本理论相符合。螺旋天线仿真设计具有一定的工程意义。

关键词：螺旋天线；增益；轴向模；法向模；仿真

The Design of Helix Antennas

Abstract：The content of the graduation paper is to design and simulate the helical antenna. Through graduation, the author masters RF simulation software such as HFSS, learns and understands helix antenna’s basic principal. Helical antenna has not only almost identical to the resistive input impedance in broad bandwidth, but also works by the end of super-gain front lobed map in the same frequency band. Further speaking, the performance is not sensitive to its size and wire spiral pitch, and the mutual impedance is almost negligible. So it is very easy to form array antenna, thus obtain a higher gain.
Within these helical antennas, the normal mode helical antenna has lower radiation efficiency and gain, is mainly designed for FM handhold communications machine. While axial radiation state of the axial helical antenna has the strongest radiation along axial direction, and the radiation field is circularly polarized field, is widely used in the broadband directional antennas. Hence, the paper pays the emphasis on normal and axial-mode simulation to the design and analysis. Normal mode has lower gain along normal direction, while Frequency has 1.5GHz along axial direction, the axial mode antenna is designed to achieve a over 12dB along axial direction and broaden the band antenna. The simulation results of helix antennas agree to the antenna basic principal，So these design and simulation of helix antennas have some engineering significance.

Keywords：Helical antenna; Gain; Axial mode; Normal mode; Simulation

目    录

第1章  绪  论 1
1.1 课题背景、目的及意义 1
1.1.1螺旋天线背景 1
1.1.2研究螺旋天线目的及意义 1
1.2 螺旋天线的几种结构形式 1
1.3 论文的主要内容 3
第2章  天线基本理论 4
2.1 天线的基本概念 4
2.2 基本振子的辐射 5
2.2.1电基本振子的辐射 5
2.2.2磁基本振子的辐射 8
2.3 发射天线的电参数 10
2.3.1方向函数 10
2.3.2方向图参数 11
2.3.3方向系数 12
2.4 单极直立天线 12
2.5 半波对称振子天线 13
2.5.1半波对称振子的方向性 13
2.5.2半波对称振子的输入阻抗 15
2.6 传输线 17
2.7 有限元的基本概念 20
2.7.1有限元简介 20
2.7.2有限元法的基本原理和步骤 20
2.8 小结 22
第3章  螺旋天线设计的基本原理 23
3.1 螺旋天线的工作原理 23
3.2 螺旋天线主要的两种模式 24
3.2.1法向模螺旋天线 24
3.2.2轴向模螺旋天线 25
3.2.3螺旋天线的电参数估算 28
3.3 小结 29
第4章  螺旋天线的仿真 30
4.1 基本仿真软件HFSS介绍 30
4.2 具体设计 30
4.2.1法向模螺旋天线 30
4.2.2轴向模螺旋天线 32
4.3 小结 38
总    结 39
参考文献 40
致    谢 41

第1章  绪  论

1.1 课题背景、目的及意义
随着前苏联人造卫星的升空，螺旋天线作为电话、电视和数据空间通信的重要工具，同时也为卫星和地面站采用。结合天线的发展，本节将阐述该课题的背景与目的及意义。
1.1.1螺旋天线背景
许多美国的卫星，包括气象卫星、通信卫星、全球环境卫星、全球定位卫星等全都装有螺旋天线。然而，随着现代化城市的发展，高层建筑日益增多，天线所处的电磁场环境日益复杂化，并且在通信系统中，尤其是移动通信为了提高服务质量，对天线的各项性能的要求也不断提高。本文采用理论分析和软件仿真相结合的方法，研究了有关天线方面的问题，设计和实现了通信频率在1.5GHz的螺旋天线。
1.1.2研究螺旋天线目的及意义
螺旋天线在宽频带上的性能对导线尺寸和螺旋节距不敏感，它的互阻抗可以忽略，因此很容易用组成阵列天线，从而获得较高的增益。其中，轴向辐射状态具有最强的辐射, 辐射场是圆极化场，在宽频带的定向天线中得到了广泛的应用。而法向模螺旋天线的辐射效率和增益都较低，主要用于超短波手持式通信机。因此，对轴向模和法向模螺旋天线进行仿真设计，有一定的工程意义。
螺旋天线具体设计，重点对轴向模和法向模进行仿真设计与分析，利用强大的仿真软件来设计和调整一定的参数，从而来改善天线的增益。我们知道，螺旋天线已被带往月球和火星，还用于对其他行星和彗星的探测器，它们被单独使用或组阵，或用做抛物面反射镜的馈源，其圆极化、高增益和简单性对空间应用来说独具吸引力。